Вспомним забытые технологии: технологические добавки к песчано-глинистым смесям для изготовления отливок в сырых формах

Ранее мы уже опубликовывали одну статью, посвященную технологическим добавкам (далее ТД) применительно к жидкостекольным смесям [1]. Однако мы не можем на 100% идентифицировать роль и влияние ТД на физико-механические и технологические характеристики жидкостекольных (далее ЖС) и песчано-глинистых смесей (далее ПГС). ТД в ПГС играют более существенную и значительную роль, чем в ЖС.

К вводимым в ПГС ТД предъявляются следующие требования:

- улучшать физико-механические и технологические характеристики смесей;

- создавать восстановительную атмосферу в полости формы на протяжении всего времени заливки и вплоть до затвердевания отливки;

- по возможности, не ухудшать атмосферу цеха;

- на засорять ПГС вредными примесями, ухудшающими качество смеси;

- не затруднять условия приготовления, транспортирования, хранения и использования смеси;

- быть экономически эффективными.

Важнейшей технологической характеристикой ПГС является ее противопригарная  стойкость при производстве чугунного литья, которая обеспечивается специальными углесодержащими добавками. С учетом этой констатации на первое место мы ставим каменно-угольный порошок (далее КУП).

В КУП содержатся смолистые вещества, уменьшающие трение между зернами песка и улучшающие уплотнение смеси [2]. Это уменьшает пористость и газопроницаемость ПГС. КУП в ПГС улучшает также ее формуемость даже при небольшой влажности (далее W).

КУП содержит золообразующие примеси, поэтому его содержание должно строго контролироваться. При термической обработке КУП образуется пористый коксовый остаток, активно впитывающий воду.

С увеличением КУП до 2,5-5,0% σсж смеси увеличивается. С увеличением содержания КУП глинистые пленки на песчаных зернах разрываются, что негативно влияет на σр ПГС.

В находящейся в обороте смесей σсж ПГС быстро уменьшается, и тем быстрее, чем меньше в ней КУП.

При нагревании ПГС заливаемым металлом до 400-800°С из КУП выделяются летучие вещества (далее ЛВ), создающие в форме восстановительную атмосферу. ЛВ содержатся в смолистых веществах угля. Размягченные при нагревании угольные частицы заполняют поры ПГС и препятствуют проникновению в них жидкого металла.

Размягчение КУП при нагревании увеличивает пластичность сухого поверхностного слоя формы, препятствуя его скачкообразному растрескиванию при 573°С во время перехода β-кварца в       α-кварц. КУП уменьшает напряжения в ПГС и ее растрескивание, если интервал его размягчения и жидкого состояния охватывает 30% температурного интервала 300-600°С.

КУП увеличивает σр в зоне конденсации влаги («мокрую прочность»). После многократного использования ПГС с натриевым бентонитом ее мокрая σр снижается по причине повышения кислотности ПГС от сгорания серы и других примесей в КУП.

При высоких температурах (далее t) нарастает количество углеводородов при пиролитическом разложении в восстановительной атмосфере содержащейся в КУП смолки. В результате получаются пиролитический черный и пиролитический блестящий кристаллический углерод, получивший название «блестящий углерод». В химическом отношении он с точки зрения склонности к окислению и сгоранию устойчивее кокса и близок к серебристому графиту.

В зависимости от степени термодеструкции смолки при 650-950°С на поверхности формы и на глубине 8-25 мм образуется низкотемпературная форма углерода черного цвета и высокотемпературная форма блестящего углерода (образуется при 950-1200°С). Углерод серебристо-черного цвета выделяется на границе металл-форма. Его можно видеть на поверхности отливки. В структурном отношении обе формы блестящего углерода разливаются незначительно.

Параметрическим признаком пригодности КУП как противопригарной добавки к ПГС для чугунного литья является содержание летучих в нем (КУП) от 30 до 45%, определяемых по ГОСТ 17818.3-72

Блестящий углерод располагается в виде тонких и прочных пленок на песчаных зернах. Толщина пленки – порядка 10-4мм. Блестящий углерод не смачивается чугуном, что препятствует образованию механического пригара.

КУП производится в России в виде порошка под названием «гранулированный уголь». Мы полагаем, что в качестве вещества-гранулятора используется лигносульфонат технический жидкий (далее ЛСТЖ), при пиролитическом разложении которого также образуются углемодержащие вещества.

Гранулирование КУП производится с целью снижения содержания пылевидной фракции в ПГС, негативно влияющей на ее газопроницаемость.

В Украине в качестве товарной углесодержащей добавки предлагается продукт под маркой «МК-10Л» (разработчик украинско-российское предприятие «Союз» в г. Днепре). Однако испытание этой добавки предприятием «ПАТАР» (г. Ровно) не подтвердило заявленных противопригарных свойств этой добавки. В качестве углесодержащей добавки предприятие «ПАТАР» использует польский аналог гранулированного угля — продукт под названием «Карбон» в количестве 0,15-0,5% от ПГС.  Мы полагаем, что «Карбон» - это разновидность КУП типа российского гранулированного угля. «Карбон» вводится в ПГС регулярно.

Из публикаций советского времени известно, что за рубежом имело место широкое употребление злаковой муки в качестве как связующей, так и противопригарной добавки в ПГС для производства отливок в сырых формах.

Из опыта советских заводов массового производства (прежде всего тракторное, автомобильное и сельскохозяйственное машиностроение) также известно, что для обеспечения хороших противопригарных свойств в ПГС для производства чугунного литья должно содержаться 3,0-3,5% углерода. Для этого заводы, расположенные в бывшей РСФСР, использовали вышеупомянутый гранулированный уголь, производившейся одной из шахт Кузбасса. Основой этого материала был КУП с высоким содержанием ЛВ (30-45%).

Бурый уголь и торф содержат большое количество летучих, но при заливке форм металлом не выделяют блестящего углерода. Это связано с высоким содержанием в них кислорода, который препятствует образованию в полости формы восстановительной атмосферы. Поэтому эти материалы не используются в качестве противопригарных добавок.

Антрацит и графит не содержат кислорода, но из-за низкого содержания или отсутствия летучих образуют очень мало блестящего углерода, поэтому эти материалы малоэффективны в противопригарном отношении.

Наиболее подходящими в противопригарном отношении являются некоторые разновидности черного каменного угля, содержащие следующие количества летучих,%

пламенный – более 40;

газопламенный – 35-40;

газовый – 28-35;

жирный – 19-28;

кузнечный – 14-19;

тощий - 10-14.

Основным критерием пригодности углеродсодержащих материалов как противопригарных ТД является количество образующегося блестящего углерода (далее БУ).

Большое количество БУ выделяется при термодеструкции ароматических углеводородов. Однако БУ, выделяющиеся из ароматических углеводородов гидрофобны, поэтому плохо связываются с глиной, отчего ПГС становится рыхлой и малопрочной. Поэтому содержание БУ в ПГС надо регулировать и контролировать. Выход БУ при термодеструкции некоторых материалов составляет [3], %:

древесная стружка – 3;

КУП – 5-10;

каменноугольный пек – 30-40;

смолы:

фурановая – 2;

карбамидо-формальдегидная – 1;

феноло- формальдегидная – 12;

связующие КО и УСК – 21,44;

полистирол – 50,36;

мазут – 20,87.

Главным недостатком КУП является наличие в нем серы и образование золя после сгорания. Поэтому часто КУП заменяют древесноугольными или каменноугольными пеками. При этом возникают осложнения с их размолом. Во избежание этих сложностей в прошлые годы с использованием пеков приготавливалась эмульгированная добавка КТ [10].

В 60-70-е годы прошлого века тогдашним ВНИИЛитмашем был разработан порошковый крепитель ДП, состоящий на 70% из древесного пека и на 30% порошковой глины. Глина вводилась в этот крепитель с целью улучшения размола и предупреждения его слеживаемости (превращения в монолит).

Крепитель ДП с успехом применялся для приготовления стержневой смеси и был вполне пригоден как противопригарная ТД для ПГС.

Гидрофобные связующие типа КО, УСК, 4ГУ-П являются не только хорошими песчаниками БУ, но и служат пластификаторами ПГС, улучшающими их пластичность и текучесть и обеспечивающие очень четкий и гладкий отпечаток формы.

При нагревании гидрофобные крепители (их современное название – связующие) растительного или нефтяного происхождения можно использовать не только как стержневые связующие, но и как противопригарные добавки для ПГС. Решающее значение здесь имеют экономические соображения: что дешевле и эффективнее.

Крепители П, ПТ, УСК, АЗМОЛ-УСК и другие производились в СССР в прошлом веке, потом в России и Украине в начале нынешнего века.

В настоящее время в Украине имеются по меньшей мере 2 производителя гидрофобных крепителей в Кременчуге и Харькове. Контактные реквизиты этих производителей при необходимости мы сообщим заинтересованным читателям по их первой просьбе.

В КУП количество БУ увеличивается с увеличением количества летучих [4].

Высокая влажность ПГС тормозит образование БУ из-за окислительной атмосферы, что является одной из причин пригара отливок, изготовленных в сырых формах с высокой влажностью.

Оптимальное содержание БУ в сырой ПГС составляет 0,4-0,6%. С уменьшением этого количества пригар увеличивается, с увеличением – возможны дефекты от намыва (перехода из смеси в металл) БУ с образованием неметаллических включений внутри отливки.

Проблемы, возникающие с применением ТД, выделяющих большие количества БУ, стимулировали создание искусственных углеродсодержащих материалов. В частности, фирма «FOSECO» предложила бентонит с полистиролом под названием «Bentacol». Эти смеси могут содержать натриевые, кальциевые или активированные бентониты, что позволяет их выбирать для конкретных условий [6].

В ФРГ созданы многокомпонентные смеси, содержащие уголь, песок, уголь, битум и торф. Битум и торф обеспечивают хорошую пластичность смеси при критической температуре и выделяют блестящий углерод. Торф выделяет ЛВ без увеличения содержания блестящего углерода и, как волокнистый материал, уменьшает дефекты отливок от расширения формы. Кроме того, торф адсорбирует выделяющиеся углеводороды, уменьшая расход противопригарных материалов, и улучшает санитарные условия труда в литейных цехах.

Дибутилфталат в количестве до 2,8% уменьшает пригар на толстостенных отливках [7]. Хорошим заменителем каменного угля является мазут, добавляемый в смесь в количестве 1-3%. При его использовании выделяется много газов, что ухудшает условия труда работающих.

Противопригарные материалы регулярно проверяют по следующим параметрам:

- гранулометрический состав угольного порошка. На сите с размерами ячейки 0,09 мм не должно оставаться более 15% порошка;

- содержание ЛВ в КУП должно составлять 25-35%. При длительном хранении КУ над открытым небом содержание летучих уменьшается;

- содержание БУ;

- содержание серы, золы и влаги, которое не должно превышать 1,5; 10 и 5% соответственно;

- потери при прокаливании (далее ППП) ПГС должны составлять 4-6%. Этот параметр определяет содержание в ПГС активного углерода.

Иногда в качестве ТД может использоваться пылевидный кварц (маршаллит). Но содержащая его смесь используется не в сыром, а в высушенном состоянии.

Примером может являться смесь с добавлением 5% маршаллита использовался в ЗАО «НКМЗ» как противопригарная добавка для изготовления стержней для турбинного литья. Маршаллит, частично снижая пористость смеси, придает ей хорошую гладкость в уплотненном состоянии.

Противопригарная стойкость ПГС – ее важнейшее положительное свойство.

Однако у ПГС имеются и другие характеристики, нуждающиеся в улучшении. К их числу относятся формуемость и текучесть.

Формуемость, определяемую согласно ГОСТ 234.15-78, т очнее можно было бы назвать сыпучестью. ПГС с высоким значением показателя формуемости противоположна комкующейся смеси, уплотнение которой весьма затруднительно. На формуемость негативно влияют лигносульфонат технический, патока, декстрин.

Классическим примером ПГС с очень хорошей формуемостью является смесь с экструзионным крахмалореагентом (далее ЭКР).

В последние годы мы в «Литье Украины» опубликовали около 10 статей, посвященных ПГС с ЭКР. Одна из наиболее полных существенных из них содержится в нашей публикации [8]. В этой ПГС для стального литья содержится 6-8% бентонита, 94,5-93,5% кварцевого песка, 0,5% ЭКР.

В ПГС для стального литья можно добавлять до 30% отработанной смеси, тогда содержание бентонита может быть уменьшено до 5-6%. Удельный вес отработанной смеси для чугунного литья может достигать 50-90%.

Эта смесь характеризуется следующими физико-механическими показателями:

σсж – 0,8-1,2 кгс/см2;

W – 3,4-3,8%;

Г – 120-150 ед.;

Т (текучесть) – 75-85%;

Ф (формуемость) – 65-75%.

ПГС этого состава и с этими показателями – лучшая для производства отливок в сырых формах.

С использованием этой ПГС отпечаток модели получается очень гладким, без рыхлот и других дефектов. Благодаря этому улучшается чистота поверхности отливки, повышается ее геометрическая точность, экономится металл.

Все компоненты для этой ПГС производятся в Украине.

Использование ЭКР как ТД к ПГС во всей полноте, всеобъемлюще изложено также в нашей публикации [11].

Вопрос использования в составах ПГС древесных ТД мы подробно осветили в нашей публикации [9]. В рамках настоящей статьи мы хотели бы увести наших потенциальных читателей от использования древесной стружки как очень грубой и нетехнологичной ТД и сосредоточить их внимание исключительно на древесной муке мягких хвойных пород, которая по своей грануляции приближается к используемым в литейном производстве пескам.

Древесные ТД рационально используются в основном при изготовлении стержней и форм с их последующей тепловой сушкой. Однако в практике литейного производства известны случаи использования сырых или наполовину сытых стержней. Примером может служить стержень вагонной надрессорной балки. По ранее сложившейся технологии нижняя половина этого стержня изготавливается из очень прочной  в высушенном состоянии смеси, а верхняя – из сырой песчано-глинистой. Такая технология предупреждает образование горячих трещин в тонкостенной стальной отливке, каковой является надрессорная (она же шкворневая) балка.

Главное назначение древесных ТД – обеспечить хорошую податливость прежде всего стержней, чтобы предупредить образование горячих трещин.

В бытность СССР в мыслящих кругах специалистов-литейщиков, особенно в массовом производстве отливок в сырой песчано-глинистой форме, витала концепция приготовления ПГС, согласно которой предварительно приготавливалась суспензия или своего рода пульпа. Предварительно приготовленную пульпу, состоявшую из глины, углесодержащих связующих и прочих ТД впоследствии смешивали с песком и получали ПГС с требуемыми физико-механическими характеристиками. Такая технология имела следующие преимущества:

- все компоненты ПГС, за исключением песка, перемешивались и усреднялись предварительно. При этом на песчаную поверхность накладывалась уже готовая связующая пленка;

- глинистое вещество, которое по традиционной технологии вводилось в смесь в виде сухого порошка, заранее, до смешивания с песком, гидротировалось и приобретало свои скрытые потенциальные связующие и пластические свойства, особенно если в качестве глины использовался бентонит, нуждающийся для приобретения связующих свойств в набухании;

- сокращалось количество дозируемых компонентов (песок + комплексная суспензия);

- упрощалась механизация дозирования, упрощались программирование цикла смесеприготовления и его контроль;

- сокращался цикл приготовления смеси, экономились энергозатраты на смесеприготовление;

- ограничивался или полностью устранялся так называемый человеческий фактор. Благодаря этому минимизировалась вероятность и возможность нарушения технологии;

- в целом технология становилась более совершенной и поднималась на более высокий уровень.

Такая технология была оправдана и целесообразна при массовом производстве чугунных отливок, для автомобильного, тракторного и сельскохозяйственного машиностроения.

С появлением фурановых технологий стали проявляться ни технологически, ни экономически не оправданные тенденции применять их в серийном и массовом производстве отливок. Мы были первыми, кто призвал литейщиков сначала здраво поразмыслить, а уж потом обращать свои взоры к фурановым технологиям [11].

В последнее время стали появляться здравые тенденции к возврату к серийному производству отливок в сырых формах со значительным усовершенствованием технологии их изготовления из ПГС.

Надеемся, что наша настоящая публикация поможет литейщикам Украины усовершенствовать свою технологию производства отливок в сырой песчано-глинистой форме.

Литература:

1. Белобров Е.А., Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров Е.Л. Вспомним забытые технологии: Технологические добавки к жидкостекольным смесям, улучшающие их положительные свойства. «Литье Украины», 2016, № 10.
2. Тодоров Р.П., Пешев П.Ц. Дефекты в отливках из черных сплавов. М., «Машиностроение», 1984.
3. Исаева И.М. и др. «Литейное производство», 1974, № 11, с.33-34.
4. Bindernagel J. Giesserei, 1964, № 23, s.729-730.
5. Jelinek P. Slevarensti, 1974, № 2, s.50-51.
6. Beale J.Foundry Trade J. 1974, № 3016, s.409-416.
7. Иванов В.Х., Солярова В.Н. . «Литейное производство», 1978, № 11, с.18.
8. Белобров Е.А., Карпенкова О.Л. и др. О новом подходе к использованию экструзионного крахмалореагента в литейном производстве. «Литье Украины», 2014, № 4.
9. Белобров Е.А., Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров Е.Л. Вспомним забытые технологии: Песчано-глинистые технологии и изготовления отливок в сырых песчано-глинистых формах. «Литье Украины», 2015, № 10.
10. Евнин А.Н. Применение крепителя КТ в формовочных смесях. «Литейное производство», 1955, № 9, с.24.
11. Белобров Е.А. и др. Изготовление отливок из ХТС в массовом и серийном производстве. «Литейное производство», 2001, № 8.